Het gebied van de kwantummechanica houdt zich bezig met materialen op atomaire dimensies, en grote ontdekkingen gebeuren vaak op zeer kleine schaal. Onderzoekers van de Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science, in samenwerking met een internationaal team van ingenieurs en wetenschappers, hebben een fenomeen ontdekt dat grote gevolgen zou kunnen hebben voor de ontwikkeling van nano-elektronische schakelingen en apparaten.

In een recent artikel gepubliceerd in Natuurcommunicatie , beschrijven de onderzoekers voor het eerst hoe gegroeid en gestapeld, atomair dunne materialen kunnen een uniek transporteffect vertonen, negatieve differentiële weerstand genoemd, of NDR, op kamertemperatuur.

NDR is een fenomeen waarbij elektronen, vanwege hun golfkarakter, tunnel door dunne materialen met variërende weerstand.

"Het begint allemaal met materialen die overgangsmetaaldichalogeniden worden genoemd, of TMD's, die een atomair dunne laag kan vormen die zich gedraagt ​​als een halfgeleiderschakelaar, " zei co-auteur Dr. Robert Wallace, die hoogleraar materiaalkunde en engineering is en de Erik Jonsson Distinguished Chair aan de UT Dallas bekleedt. "TMD's worden nu onderzocht om te zien of ze kunnen worden gebruikt om het ultieme in low-power, high-speed transistortechnologie."

Deze verkenning is van belang voor elektronica-ingenieurs die geïnteresseerd zijn in toekomstige transistors. Wanneer gekweekt in atomair dunne lagen, de oppervlakken van TMD's zullen naar verwachting perfecte halfgeleiders zijn voor atomair dunne transistors, liefst zonder gebreken, waardoor een supersnel "inschakel" en "uitschakel" gedrag bij zeer lage spanningen mogelijk is.

"Als het wordt gerealiseerd, deze materialen kunnen een revolutie teweegbrengen in de elektronica-industrie en nog beter presterende draagbare apparaten zoals smartphones en het internet der dingen mogelijk maken. Hun atomair dunne laagaard geeft aanleiding tot het concept van tweedimensionale halfgeleidermaterialen, ' zei Wallace.

Dr. Maan Kim, die de Louis Beecherl Jr. Distinguished Chair bekleedt en hoogleraar materiaalkunde en engineering is aan de UT Dallas, was een co-auteur op het papier.

"Dit onderzoek is het eerste in zijn soort dat een praktische manier aantoont om nano-elektronische apparaten te fabriceren met één atomaire laag tegelijk in plaats van mechanisch dunne lagen te stapelen, Kim zei. "Een nauwe samenwerking tussen onderzoekers met complementaire expertise zoals de fabricage van apparaten, karakterisering en theorie op atomaire schaal maakten dit onderzoek mogelijk."

Het NDR-effect werd voor het eerst waargenomen toen een spanning werd toegepast op structuren gemaakt van één atoom dikke lagen die uit verschillende TMD-materialen bestonden. Wat de onderzoekers opviel was een scherpe piek en dal in elektrische metingen waar normaal gesproken een regelmatige opwaartse helling zou zijn.

Bij het uitleggen van de bevindingen, realiseerden de onderzoekers zich dat ze een 2D-versie van een resonante tunnelingdiode zagen, een kwantummechanisch apparaat dat op laag vermogen werkt. Het team realiseerde zich dat ze 's werelds dunste resonante tunnelingdiode hadden gebouwd, en dat het werkte bij kamertemperatuur.

"Dit samenwerkingswerk vertegenwoordigt een belangrijke prestatie bij de realisatie van bruikbare 2D-geïntegreerde schakelingen. Het vermogen om het resonantiegedrag bij kamertemperatuur te observeren, wijst in de richting van de mogelijkheden voor schaalbare fabricagemethoden voor apparaten die meer compatibel zijn met industriële belangen, "Zei Wallace. "De uitdaging die we nu moeten aangaan, omvat het verder verbeteren van de gegroeide 2D-materialen en het verkrijgen van betere prestaties voor toekomstige apparaattoepassingen."